工業(yè)以太網(wǎng)和基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。同時，隨著Internet遍及世界的每一個角落，人們已經(jīng)進(jìn)入了一個嶄新的現(xiàn)代通信技術(shù)的時代。依靠以太網(wǎng)和Internet技術(shù)實現(xiàn)信息共享，能給辦公自動化帶來很大的變革，也必將對控制系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。　　　　
　　一、工業(yè)以太網(wǎng)——控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向
　　　 一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層(傳感/執(zhí)行層)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層，幾乎所有的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。以太網(wǎng)之所以給自動化市場帶來風(fēng)暴式的革命，主要有3個原因：　　　　
　　(1)低成本的刺激和速度的提高。以太網(wǎng)適配器的價格大幅度下跌以及各種產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)對以太網(wǎng)的支持是其成功的重要因素。20世紀(jì)80年代，10Mb/s的網(wǎng)卡售價近1000美元；現(xiàn)在100Mb/s的網(wǎng)卡售價僅為20美元左右，而且很多PC機已經(jīng)集成有以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)最初的數(shù)據(jù)傳輸速度只有10Mb/s。隨著1996年快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，以太網(wǎng)的速度提高到了100Mb/s。1998年，千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太網(wǎng)需要1.2ms才能傳送一個1518B大小的幀；現(xiàn)在，快速以太網(wǎng)已經(jīng)將這一時間減少到120μs；如果采用千兆位以太網(wǎng)，這一時間只需12μs。現(xiàn)代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，比如交換、全雙工傳輸、實時數(shù)據(jù)的優(yōu)先級、帶寬由10Mb/s到100Mb/s乃至1000Mb/s的升級，使以太網(wǎng)成為工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)中首選的傳輸方式。　　　　
　　(2)現(xiàn)代企業(yè)對實時生產(chǎn)信息有越來越多的要求。當(dāng)前，人類已經(jīng)進(jìn)入了以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的知識經(jīng)濟(jì)時代，企業(yè)活動也已擴(kuò)展到全球范圍，生產(chǎn)系統(tǒng)中最主要的3大要素：物質(zhì)、能源和信息之間的關(guān)系發(fā)生了巨大變化，信息已成為最活躍的主導(dǎo)性因素。為了提高生產(chǎn)的效率和效益，人們迫切需要了解生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)，將實時生產(chǎn)信息與企業(yè)的ERP系統(tǒng)結(jié)合起來。而企業(yè)的信息層大多數(shù)采用了以太網(wǎng)的解決方案，當(dāng)控制層和設(shè)備層都采用以太網(wǎng)時，則可實現(xiàn)各層之間信息的無縫連接，而且整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是透明的。
　　(3)以太網(wǎng)的開放性和兼容性。現(xiàn)場總線從1984年開始提出到現(xiàn)在，共產(chǎn)生了60多個數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，有5000多種支持這些網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品。這些標(biāo)準(zhǔn)分別為不同的公司所擁有，并與他們的產(chǎn)品捆綁在一起，相互之間兼容性很差。這給那些使用多家產(chǎn)品的大型系統(tǒng)的集成和維護(hù)帶來了很大的麻煩，因此迫切需要建立一個統(tǒng)一、開放的通信標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)以太網(wǎng)因為采用由IEEE802.3所定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)還具有向下兼容性。快速以太網(wǎng)是在雙絞線連接的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(10Base-T)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但它的傳輸速度從10Mb/s提升到了100Mb/s。在大多數(shù)場合，它還可以使用現(xiàn)有的布線。此外，以太網(wǎng)還允許逐步采用新技術(shù)。也就是說，沒必要一下子改變整個網(wǎng)絡(luò)，可以一步步將整個網(wǎng)絡(luò)升級。　　　　
　　二、 工業(yè)以太網(wǎng)的特點　　　　
　　盡管工業(yè)以太網(wǎng)與普通商用以太網(wǎng)同樣符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，但是由于工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備的工作環(huán)境與辦公環(huán)境存在較大差別，所以工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備要求工作溫度范圍較寬、封裝牢固(抗振和防沖擊)、導(dǎo)軌安裝、電源冗余、24V DC供電等。一般來說，工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與普通商用以太網(wǎng)設(shè)備之間的區(qū)別，如附表所示。

　　工業(yè)自動化還越來越多地要求工業(yè)以太網(wǎng)解決方案必須滿足魯棒性和可靠性方面的專門需要。在這一方面，德國赫斯曼公司(Hirschmann)一直處于領(lǐng)先位置，他們從80年代末就開始研究冗余以太網(wǎng)，擁有“環(huán)形以太網(wǎng)冗余”的專利(Europe-EP 0403763, USA-No.5.218.600)。該專利采用抗干擾的光纖和集成的冗余機制增強了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，從而保證了生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。　　　　
　　過去，由于沒有其他可供選擇的方案，冗余網(wǎng)絡(luò)都是采用雙總線方式實現(xiàn)的。現(xiàn)在，以太網(wǎng)和交換技術(shù)使得建立冗余環(huán)網(wǎng)成為可能。只需在總線的兩端之間增加一條鏈路即可實現(xiàn)高效率、高性價比的冗余。赫斯曼公司的集線器和交換機均可以構(gòu)成環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用在關(guān)鍵的場合，以保證所需的容錯功能。　　　　
　　赫斯曼公司的集線器(Hub)系統(tǒng)可以用于構(gòu)造網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的共享網(wǎng)絡(luò)，保證即使同時發(fā)生多處故障時，網(wǎng)絡(luò)仍然正常運行。該Hub的一個特點是當(dāng)發(fā)生故障時可以在20ms內(nèi)切換到冗余鏈路。　　　　
　　赫斯曼公司的導(dǎo)軌系列交換機的冗余管理器功能允許將總線結(jié)構(gòu)封閉形成冗余環(huán)。如果一條鏈路發(fā)生故障，環(huán)形結(jié)構(gòu)將切換為具有全部傳輸能力的總線結(jié)構(gòu)，對于多達(dá)50臺交換機構(gòu)成的環(huán)，這一切換時間小于500ms。對于規(guī)模小的冗余環(huán)，這一時間會更短。　　　　
　　嵌入到導(dǎo)軌系列交換機中的智能控制功能允許實現(xiàn)多網(wǎng)段間的冗余連接。兩個網(wǎng)段之間可以通過兩條獨立的鏈路相連，每條鏈路連接不同的交換機。連接主鏈路的交換機與連接冗余鏈路的交換機之間通過一根控制線交換它們的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)主鏈路發(fā)生故障時，冗余交換機立即啟動冗余鏈路。一旦主鏈路恢復(fù)正常，連接主鏈路的交換機即將這一狀態(tài)通知連接冗余鏈路的交換機。主鏈路工作，冗余鏈路斷開。整個故障的檢測和處理時間小于500ms。這樣，在某條鏈路或者某個設(shè)備發(fā)生故障持續(xù)500ms以后，網(wǎng)絡(luò)又變得完全可用。　　　　
　　三 Internet技術(shù)提供了快捷經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式
　　 隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于TCP/IP和Client/Server架構(gòu)的分布式監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。但若要實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，一般仍需通過撥號方式登錄遠(yuǎn)程服務(wù)器或者直接與控制器建立通信，這種方式比較簡單、易于實現(xiàn)，但存在如下不足之處：　　　　
　　(1)使用成本高。因為遠(yuǎn)程監(jiān)控的距離一般較遠(yuǎn)，采用直接撥號方式會帶來高額的國內(nèi)甚至國際長途電話費用。
　　(2)工作效率低。直接撥號方式只有當(dāng)斷開連接以后才可以進(jìn)行新的撥號，這中間還需要等待一段時間讓Modem復(fù)位。而且，這種方式無法做到同時監(jiān)控多個不同的對象。　
　　(3)可用性不高。直接撥號方式需占用一條電話線路。撥號端不能預(yù)先知道對方是否正在通話，尤其是當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)生故障的情況下自動向上報警時會因為線路忙而不能接通。
　　(4)傳輸速率低。Modem直接連接的速度一般都很低，為19.2kb/s左右，不能滿足數(shù)據(jù)量日益增長的需要。　
　　 實際上，遠(yuǎn)程監(jiān)控完全可以通過Internet方式實現(xiàn)。目前，許多HMI軟件除了支持標(biāo)準(zhǔn)Client以外，還支持Web Client和Terminal Server Client，但由于TCP/IP通信的兩端必須有不同的IP地址來標(biāo)識，在局域網(wǎng)上，每臺計算機可以自行分配IP地址，這些計算機的IP地址是固定的。在互聯(lián)網(wǎng)上，由于IP地址資源的限制，不可能讓用戶自行分配IP地址，用戶每次通過ISP撥號上網(wǎng)后，由ISP自動分配用戶IP地址，下網(wǎng)后，自動釋放此IP地址。因此，若要使用Web Client和Terminal Server Client并使用Internet方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須為Web Server或Terminal Server設(shè)定IP地址。而在互聯(lián)網(wǎng)上申請一個固定IP地址的費用非常高，因此這種方式不太現(xiàn)實。　　　　
　　為了提供快捷經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司做了大量的研究，所開發(fā)的基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)無需用戶申請固定的IP地址，從而給用戶帶來了很大便利。與直接撥號方式相比，采用基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有許多優(yōu)點。
　　(1)它不存在國內(nèi)和國際長途電信費用，不管用戶的設(shè)備在何地，所需費用僅為市話費加上網(wǎng)費；
　　(2)多點可同時對一點進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)多個用戶同時向監(jiān)控中心發(fā)出故障信息時，不存在“忙音”問題；并且監(jiān)控中心可以對多個客戶進(jìn)行監(jiān)控，切換時間可達(dá)毫秒級；
　　(3)可以在一根線路上同時傳輸數(shù)據(jù)、語音、圖像，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、圖像三網(wǎng)合一；
　　(4)可以實現(xiàn)同步運行監(jiān)控軟件和PLC編程軟件，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程修改程序參數(shù)、上下載PLC控制程序。　
　　　
　　四 工控技術(shù)的“IT”化將重建企業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型　　　　
　　工業(yè)以太網(wǎng)和Internet技術(shù)的發(fā)展將完全改變傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)從信息層向下延伸到控制層和設(shè)備層。需要注意的是，由于企業(yè)的3層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和對實時性的要求不同，所以雖然從上到下都是工業(yè)以太網(wǎng)，但在不同層次之間還需設(shè)置路由器或網(wǎng)橋(如附圖所示)。使用路由器可以阻斷以太網(wǎng)上的廣播信息，但如果所選擇的路由器速度太慢，則會形成傳輸?shù)钠款i。
　　以太網(wǎng)本質(zhì)上只是一個物理層標(biāo)準(zhǔn)。目前在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議基本上已經(jīng)統(tǒng)一，TCP/IP已為多數(shù)工業(yè)控制器廠家所接受。在應(yīng)用層的協(xié)議上還存在著分歧，目前3個主要的競爭對手是Modbus/TCP(基于TCP/IP的Modbus協(xié)議)、EtherNet/IP(基于TCP/IP的Control-Net/DeviceNet)和基于以太網(wǎng)的Profinet協(xié)議。Modbus由于它本身是一個開放的協(xié)議，為眾多的供應(yīng)商所支持，所以如果說在現(xiàn)場以太網(wǎng)方面存在事實上的標(biāo)準(zhǔn)，只能是Modbus。但從市場和利益角度考慮，工業(yè)以太網(wǎng)在應(yīng)用層的統(tǒng)一還需要比較長的時間。由于以太網(wǎng)本身的開放性，它允許在同一個網(wǎng)絡(luò)上運行不同的應(yīng)用層協(xié)議，在許多實際應(yīng)用中具有明顯的無可替代的優(yōu)勢。　　　　
　　采用以太網(wǎng)架構(gòu)以后，控制器的位置也可以突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制，可以位于現(xiàn)場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠(yuǎn)程I/O支持以太網(wǎng)的功能越來越強，在有些控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中已經(jīng)集成了Web服務(wù)器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠(yuǎn)程I/O模塊中的當(dāng)前狀態(tài)值。采用以太網(wǎng)架構(gòu)和開放的軟件系統(tǒng)的制造企業(yè)也被稱為“透明工廠”。　　　　
　　此外，通過Internet可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)與ERP系統(tǒng)以及實時的用戶需求結(jié)合起來，使生產(chǎn)不只是面向定單的生產(chǎn)，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化的要求。　　　　
　　五 結(jié)束語　　　　
　　毫無疑問，以太網(wǎng)在工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)方面扮演著一個非常重要的角色。根據(jù)對三大汽車制造商的最新研究結(jié)果，以太網(wǎng)至少可以適用于70%的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，這意味著工業(yè)以太網(wǎng)有著非常廣泛的前景。隨著在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，以太網(wǎng)不僅會對企業(yè)內(nèi)部的通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的改進(jìn)，保護(hù)既有的投資，還將對企業(yè)的管理和運營方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。